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热胀系统使刀具精准夹持 |
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作者：蓝帜（南京）工具有限公司 沈敬梓 |
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近年来，高速加工技术在零件加工及模具制造中得到了广泛的推广和应用，与此同时，高速加工机床对相应的刀具夹持技术和装备（如刀柄等）提出了更高的要求，而且对动平衡的要求也非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且要求刀具及装夹机构也需精密动平衡，但传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡，而标准的7/24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触，因此，配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响动平衡。
在高转速、高离心率的情况下，双面夹紧刀柄（HSK）与主轴的结合更加紧密，也更具刚性，已在提高加工效率方面取得了明显效果。不过当主轴转速达30000r/min或以上时，主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度及动平衡能力，否则转速越高，离心力越大，当达到系统的临界状态后，将会使刀柄、刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降，刀具寿命缩短，主轴轴承磨损严重甚至损坏。
刀具夹持技术总是以不断改进和提高为核心。因为双面夹紧刀具系统很难在高速高精度加工方面有新的突破，为了提高刀具、刀柄与主轴的联接精度，采用HSK刀柄及热装式工具夹紧系统取代弹簧夹紧、侧固等系统越来越引起了人们的关注。
热胀系统的原理
热胀系统通常都是利用热感应线圈使刀柄的夹持部分在短时间内加热，使刀柄内径随之扩张，此时立即把工具装入刀柄内，而刀柄冷却收缩时，即可赋予刀具夹持面均匀的压力，从而产生很高的径向夹紧力，将工具牢牢夹持住。因此，热胀系统是一种刀具与刀柄间不介入任何物质的热装式工具夹紧方法，它可解决高速高精度加工中极为重要的平衡、振摆精度及夹紧强度等问题。
热胀系统使用电感加热，其特点是：通过有目的加热使得刀具更换在数秒内完成；通过材料的选择和适当的工艺方法使得夹具使用寿命提高；强度高，张紧力巨大；易操作，且安全可靠；适用于硬质合金钢和高速合金钢的夹紧；高强度夹具；通过与配件相结和使得机器的应用范围极为广泛；圆周跳动小于0.003 mm。
以蓝帜-比尔兹（LMT-BILZ）热胀系统为例，该系列产品采用具有高能场的感应加热线圈，可在短时间内完成刀具更换。由于电磁场的局部性特点，4s以内即可将刀柄夹持部位加热，刀柄内径随之扩张，很容易进行刀具更换。装上或卸下切削刀具后，夹头迅速冷却，因此，热量极少传导至夹头的其他部位或刀具的柄部。与用火焰或热气体加热的物体相比，热装式夹头可说是处于较冷的状态，整个夹头在30s以内即可完全冷却（水冷系统30s，风冷系统60s）。
防止过热的热胀技术
蓝帜-比尔兹（LMT-BILZ）热胀系统都应用了具有专利的比尔兹（BILZ）热胀技术，其特点如图1所示：
图1 比尔兹（BILZ）热胀技术的特点
1、具有专利技术的更换片系统可防止工具过热，这是该系列产品最与众不同的特点，另外，通过更换片系统可夹紧硬质合金钢和高速合金钢的刀柄直径范围是 3～50 mm；
2、具有专利技术的前端设计使得刀具插入轻而易举；
3、夹具圆周跳动小于0.003mm；
4、刀柄紧缺的动平衡处理；
5、通过运用热特种钢使得夹具具有近乎无限长的使用寿 命 并且其在使用中不变形；
6、局部能量联接和传导有助于保护工具和夹具，冷却高温工具和夹具最多只要1min；
7、通过测量仪可预先调节刀具长度；
8、通过冷却套或直接使用冷却液使得刀具和夹具迅速制冷并通过屏蔽高温夹具提高工作安全性能。
四款典型的热胀系统
以下是蓝帜-比尔兹（LMT-BILZ）的四款热胀系统——具有台式伸缩工作平台的ISG 2200单工位感应式热胀仪、ISG2200WK单工位水冷感应式热胀仪、ISG 3200多工位感应式热胀仪、ISG3200WK多工位水冷感应式热胀仪，能满足各种用户的需求。
图2 蓝帜-比尔兹（LMT-BILZ）的的四款热胀系统
具有台式伸缩工作平台的ISG 2200在高效电感应加热仪中可以算得上经济实惠。该机功率为8 kW，技术尺寸为390mm ×310mm×640mm，重25 kg，可以随意移动。通过它的高频程控电机和改进了的电感头几何尺寸，使得ISG在数秒内就可以完成刀具的更换。它的工作范围与刀具的材料有关，对于硬质合金钢刀具和高速合金钢刀具，其加工范围分别是3～20 mm和6～20 mm。通过在程序内固定的参数设置，该系统可以使操作时夹具的过热得以避免。在加热工作完毕后，电感头自动返回原起始位置。ISG中装配的风扇自动开起，从而使得热夹具可以迅速冷却。
ISG2200WK水冷感应式热胀仪是电感应加热仪与速冷装置的完美结合——全新的设计使得夹具加热和夹具加热完毕后的冷却可以一次性完成。通过新式程控高频电机和改善了的电感线圈，使得硬质合金刀具（刀柄直径范围3～20mm）或高速合金钢刀具（刀柄直径范围6～20 mm）在夹具中的安装与拆卸在数秒内得以完成。该机技术尺寸550mm×700mm×1540mm, 重100kg, 空气压力为6bar，功率8 kW。
ISG 3200感应式热胀仪应用广泛，适合多次装卡刀具，是高效电感应加热技术在工业领域的最佳代表之一。通过更换卡片，该机可使这个只具有一个电感线圈的仪器适用于所有刀柄，与其它电感应加热仪相比，其工作范围扩大——当刀具材料是高速合金钢时，其工作范围为6～50 mm；当刀具材料是硬质合金钢时, 其工作范围为3～50mm。在安装了特制电感线圈时,该机还可应用于特殊的工具夹具。该机带有四个风扇，可同时用来冷却热夹具。当带有热夹具的夹具基座移动到冷却位时，风扇即由光线控制自动开启,从而使热夹具得以迅速制冷。该机技术尺寸584mm×592mm×1030mm, 重43kg, 空气压力为6 bar，功率10 kW。
ISG3200WK水冷感应式热胀仪同样是夹具加热和之后的冷却可以一次性完成。通过自动控制热胀夹具，加热完毕后，在气动装置的帮助下, 夹具下降至水冷却位置，冷却液进行四面冲洗，在预定的冲洗时间冲洗完毕后，刀柄升高至原来的加热位置。在上升的过程中，刀柄被吹干。这种集冷却和加热于一体的设计使得工具的装卡与拆卸所需的时间最少，而且同时避免了操作者与夹具的接触，避免烫伤。该机技术尺寸620mm×700mm×1700mm，重120kg, 空气压力为6 bar，功率10 kW。工作范围与ISG 3200一样。 (end)
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(4/12/2007) |
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